Закономерности управления химико-технологическими процессами

Управлять ХТП – это означает, меняя технологические параметры процесса (температуру, давление, состав сырья, катализатор, скорость перемешивания, конструкцию реактора, схему соединению реакторов и т.д.) добиваться максимальной эффективности процесса. Для этого нужно знать функциональную зависимость выбранного критерия эффективности от величины технологических параметров. Изучением этих зависимостей и занимается наука ОХТ.

При изучении общих закономерностей мы используем метод декомпозиции, то есть рассмотрим особенности функционирования отдельных подсистем ХТС. Главной подсистемой ХТС является подсистема химического превращения. В подсистеме химического превращения происходит превращение исходных реагентов в продукты в специальных аппаратах, которые называют реакторами. При этом протекают следующие процессы:

1) химические - разрушение связей и образование новых;

2) массообменные (диффузионные) – движение молекул внутри фаз и через границу раздела фаз;

3) гидродинамические – перемещение потоков внутри реактора;

4) тепловые – теплообмен между отдельными частями реакционной смеси или между реакционной смесью и окружающей средой.

Три последние группы процессов являются физическими, они сопровождают химический процесс, оказывая в той или иной степени влияние на эффективность протекания всего ХТП в целом.

Упрощая задачу, рассмотрим сначала только химические процессы, то есть непосредственно химические реакции, лежащие в основе ХТП, и найдем закономерности управления ими.

В основе ХТП могут лежать разные реакции. Используем метод моделирования и сведем все многообразие химических реакций к нескольким достаточно простым моделям и для каждой модели определим критерий эффективности протекания этой реакции и зависимость этого критерия от технологических параметров.

Технологическая классификация химических процессов (модели реакций)

Разработка любой химической технологии начинается с технологической классификации химического процесса, то есть с определения основных признаков, определяющих выбор объектов и инструментов его управления, конструкции реактора и т.д.

Существует ряд признаков, по которым можно классифицировать химические процессы.

1) Процессы могут быть простые и сложные.

Простые процессы описываются одним стехиометрическим уравнением.

А → С или А + В → С + D

В сложных процессах наряду с целевой реакцией протекают побочные реакции, и для описания процесса требуется несколько уравнений.

Сложные процессы могут быть:

- последовательные (консекутивные) А + В → R

R → S

- параллельные А + В → R

А + C → S

- смешанные А + В → R

А + R→ S

2) Процессы могут быть необратимые и обратимые.

Обратимые процессы в отличие от необратимых протекают одновременно в прямом и обратном направлении.

3) Процессы могут быть экзо- и эндотермические, то есть протекать соответственно, с выделением или поглощением тепла. Различают также процессы с большим тепловым эффектом и процессы с малым тепловым эффектом.

4) Процессы могут быть гомогенные и гетерогенные. В первом случае все участники реакции находятся в одной фазе; во втором - одной из стадий процесса является переход через границу раздела фаз.

5) Процессы бывают каталитические и некаталитические.

Совершенно очевидно, что каждая конкретный процесс обладает признаками разных классов. Например, процесс синтеза аммиака

N_{2 (г)} + 3 H_{2 (г)} ↔ NH_{3 (г)}, ∆Н < 0

является простым, обратимым, экзотермическим, каталитическим (катализатор – металлическое железо), гомофазным, но гетерогенным, так как газообразные реагенты взаимодействуют между собой на поверхности твердого катализатора.